半导体金属化：沉积与单层系统标准（一）
2025/6/24 13:47:43   来源：    点击：83

芯片制造过程分为两个主要部分。首先，这一个过程主要是涉及到晶圆表面制造器件的有源部分和无源部分，这一个过程被称为前端工艺（FEOL）。其次，过程主要是涉及到将器件和不同层连接起来的金属系统，这一个过程被称为后端工艺（BEOL）。在接下来的这个章节当中，我们介绍用于完成金属化部分的材料、规格和方法，以及金属在芯片制造中的其他用途。真空泵（用于化学气相沉积（CVD）、离子注入、蒸发和溅射系统）的原理在本章末尾进行了说明。

金属薄膜在半导体技术中最常见的用途是用于表面布线。习惯上而言，将器件各部分连接在一起的材料、方法和工艺通常被称为金属化过程。另外的，根据器件的复杂性和性能要求，电路可能需要单层金属系统或多层次系统。与之不同的是，它可能使用铝合金或铜作为导电金属。

沉积方法

 铝合金和其他金属的溅射

- 低压化学气相沉积（CVD）用于多晶硅、钨和其他难熔金属

- 电镀铜的双大马士革工艺

金属化技术，像其他制造工艺一样，随着新的电路要求和新材料的出现而不断改进和发展。到20世纪70年代中期，金属沉积的主要方法是铝、金和可编程只读存储器（PROM）器件的熔丝金属的真空蒸发。多层金属系统和合金的出现，以及对更好阶梯覆盖的需求，促使溅射成为超大规模集成电路（VLSI）制造的标准沉积技术。难熔金属的使用为金属化工程师增加了第二种技术，即化学气相沉积（CVD）。随着双大马士革工艺和电镀的发展，铜被引入作为主要金属。

多层系统的发展导致了阻挡层和粘附层、插头和中间介质层的出现。单层金属和多层金属系统的基础将在下面探讨。

单层金属系统

在中规模集成电路（MSI）时代，金属化相对简单（见下面的图中所示），只需要单层金属工艺。通过光刻步骤（称为接触光刻）蚀刻出小孔，称为接触孔或接触孔，一直蚀刻到单个器件上的接触区域。在接触光刻之后，通过真空蒸发、溅射或CVD技术在整个晶圆上沉积一层薄薄的导电金属（目前约为0.5微米）。通过传统的光刻和蚀刻工艺或剥离工艺去除不需要的部分，留下表面覆盖着称为引线、金属线或互连的薄金属线。通常，在金属图案化后会进行一个热处理步骤，称为合金化，以确保金属与晶圆表面之间有良好的电接触。这一基本工艺如下面的图中所示。

无论结构如何，金属系统必须满足以下标准：

- 良好的电流承载能力（电流密度）

- 与晶圆表面（通常是二氧化硅）的良好粘附性

- 易于图案化

- 与晶圆材料的良好电接触

- 高纯度

- 耐腐蚀性

- 长期稳定性

- 能够沉积均匀的无孔洞和无丘陵的薄膜

- 均匀的晶粒结构

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